旁压试验在软土勘察中的应用

　　[摘要]旁压试验又称横压试验，它是利用旁压器对钻孔壁施加横向均匀应力，使孔壁土体发生径向变形直至破坏，利用量测仪器量测压力和径向变形的关系推求地基土力学参数的一种原位测试技术。
　　[关键词]旁压模量Em，旁压剪切模量Gm，变形模量E0，压缩模量ES
　　
　　1前言
　　预钻式旁压仪具有设备结构简单、携带轻便、操作方便，结果可靠等优点，易于克服岩土试验中取样、试件加工、参数选取等困难。能较为客观地反映所测对象的强度、变形特性，为地基评价和基础选型提供科学依据。对难以取到原状试样的岩土层，尤具实用意义。
　　2.旁压实验的设备及机理
　　旁压试验又称横压试验，它是利用旁压器对钻孔壁施加横向均匀应力，使孔壁土体发生径向变形直至破坏，利用量测仪器量测压力和径向变形的关系推求地基土力学参数的一种原位测试技术。本次旁压试验所用仪器为法国梅那GA型预钻式旁压仪，为三腔式旁压器，其探头外径为58mm，测量腔长度200mm，容积为535cm3。根据试验的读数可以得到应力-应变或体积-压力之间的关系曲线，据此可用来对试验土体进行分类，评估土的物理状态，提供旁压模量、不排水抗剪强度等指标。
　　旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，并简化为轴对称平面应变问题。典型的旁压曲线（压力P——体积变化量V曲线见图1所示）可分为三个阶段：
　　Ⅰ阶段：初始阶段；
　　Ⅱ阶段：似弹性阶段，压力与体积变化量大致呈直线关系；
　　Ⅲ阶段：塑性阶段，随着压力的增加，体积变化量也迅速增加。
　　Ⅰ-Ⅱ阶段的界限压力相当于初始水平应力P0；Ⅱ-Ⅲ阶段的界限压力相当于临塑压力Pf；Ⅲ阶段末尾渐近线的压力为极限压力Pl。
　　
　　3.岩土工程特征
　　①淤泥（Q4mc）：根据初勘资料、本次取土样钻探孔及静力触探孔资料揭露，该土层沿线连续分布，且基本上呈北薄南厚的趋势。层厚1.60～22.80m，平均8.33m，层顶埋深0.20～26.60m（标高-21.29～5.40m）；层底埋深4.20～31.00m（标高-25.79～2.08m）。层位稳定，而土性稍有变化，土性灰褐、深灰、灰黑色，取22件土试样做有机质含量分析，最大值4.16%，最小值1.90%，属无机土。局部含有有腐木块、泥炭质，不均匀含细粉砂，个别含贝壳等杂质，有腥臭味，具海棉状和孔隙状结构，流塑，少数软塑状态。浅部及中部土芯一般不能成土柱状，流塑，较深部位土体固结度稍好，土芯呈完整土状，软塑为主。本层土压缩系数为2.0MPa-1，超固结比为0.420，故属高压缩性欠固结软土。土的渗透性差，实验室测得渗透系数Kv=8.0×10-8cm/s(垂直)，KH=13.8×10-8cm/s(水平)。
　　②淤泥质土(Q4mc)：该土层在局部分布，在垂直方向主要位于淤泥层之下。层位不稳定，而土性稍有变化，土性呈灰褐、深灰、灰黑色，局部见有腐木块、泥炭质，往下部细粉砂增多，有腥臭味，具海棉状和孔隙状结构，流塑~软塑状态。本层土压缩系数为0.9MPa-1，超固结比为0.462，故属高压缩性欠固结软土。渗透性较差，实验室测得渗透系数Kv=12.0×10-8cm/s(垂直)，KH=22.0×10-8cm/s(水平)。
　　4.资料整理
　　1)特征值的确定与计算
　　利用旁压试验确定地基土参数，首先要从旁压试验P—V曲线确定P0——地层初始水平应力、Pf——临塑压力和Pl——极限压力。
　　（1）P0——地层初始水平应力的确定：
　　延长P—V曲线直线段与纵坐标轴相交，截距为V0，过截距作与横坐标轴的平行线，与P—V曲线相交点对应的压力即为P0。
　　（2）Pf——临塑压力的确定：
　　以P—V曲线直线段的终点对应的压力为Pf。
　　（3）Pl——极限压力的确定：
　　将P—1/V曲线或其延长线（大于Pf的数据）取1/（2V0+Vc）（Vc为测量腔的固有体积）所对应的压力即为Pl。
　　（4）旁压模量Em、旁压剪切模量Gm和变形模量E0、压缩模量ES：
　　根据似弹性阶段直线的斜率，由轴对称平面应变问题的弹性解可得旁压模量Em、旁压剪切模量Gm。
　　
　　(4.3.2-1)
　　(4.3.2-2)
　　
　　式中Em——旁压模量（MPa）；
　　Gm——旁压剪切模量（MPa）；
　　μ——泊松比，试验建议值，一般正常固结和轻度超固结砂土和粉土取0.33，软塑粘性土、淤泥和淤泥质土取0.40。
　　——旁压器测量腔的固有体积，535cm3；
　　——P0对应的体积；
　　——临塑压力Pf对应的体积（cm3）；
　　△P/△V——旁压曲线似弹性直线段的斜率（kPa/cm3）；
　　由旁压模量和旁压剪切模量可以推算地基土体的变形参数，即E0：
　　(4.3.2-3)
　　式中：E0——土的变形模量；
　　——土的结构系数，与土的类型、固结状态有关，一般小于1。
　　土的弹性模量E0和压缩模量ES的关系：
　　(4.3.2-4)
　　式中：ES——压缩模量。
　　(5)计算浅基础承载力f0：
　　利用旁压试验计算浅基础的承载力采用临塑压力法，该地基承载力基本值：
　　(4.3.2-5)
　　2）试验成果分析
　　本次旁压试验不仅获得了大量的直接测试数据，取得土体受力变形后从弹性阶段到破坏阶段的全过程资料，有利于对土体应力和变形问题的分析，而且通过数据直接运算得到了大量的土工参数，这些参数包括土体的初始压力、临塑压力和极限压力等强度参数，不同深度土层的变形参数（旁压模量和旁压剪切模量）。此外，在旁压模量和旁压剪切模量的基础上，推算了土体的弹性模量和压缩模量等变形模量参数。需要指出的是，旁压试验引入国内的时间不长，在工程使用中还不普遍，特别是尚未见到在海相淤泥中使用该方法的报道。将旁压实验的结果应用于工程中，还需对比其它原位试验和室内土工试验。
　　各土层在不同深度下的力学参数统计表表4.3.3
　　土层名称 试验深度
　　(m) 初始压力P0(kPa) 临塑压力Pf(kPa) 极限压力Pl(kPa) 旁压模量Em(MPa) 剪切模量Gm(MPa) 地基
　　承载力
　　f0(kPa) 变形模量E0(MPa) 压缩模量Es(MPa)
　　淤泥 2.0 20 106 140 0.56 0.24 86 0.56 0.89
　　淤泥 3.9 25 98 135 0.85 0.31 72 0.85 1.36
　　淤泥 15.0 50 148 175 1.33 0.49 98 1.33 2.13
　　淤泥 17.0 70 182 350 1.93 0.72 112 1.93 3.10
　　淤泥质土 18.2 142 374 673 8.90 3.30 232 13.29 21.33
　　粉质粘土 12.0 68 278 557 4.61 1.71 210 6.88 11.04
　　粉质粘土 20.5 116 530 895 9.05 3.48 414 13.50 21.68
　　5.结论
　　1）、根据旁压实验得出的淤泥和淤泥质土的强度指标与室内实验结果比较验证，其成果有很好的一致性，对不好取样的软土评价提供了依据。
　　2）、旁压试验还可分析设计横向守荷桩，自钻式旁压实验确定土德原位水平应力和静止侧压力系数;估算软粘土的不排水抗剪强度及估算地基强度、单桩承载力和基础沉降量等方面，还应进行更多的实际工程实例进行论证分析,以利于该种技术的推广与应用。
　　参考文献
　　1.常示骠、张苏民.《岩土工程手册》（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2007年2月
　　2.石林珂、孙文怀、郝小红《岩土工程原位测试》郑州大学出版社，2003年9月
　　3.《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009版）.

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